Динамические режимы функционирования скоростных подсистем импульсно-модуляционного типа в составе систем управления технологическими процессами

Актуальность работы. К технологическим процессам современного производства высокоточных изделий микроэлектронной техники, к которым относятся, например, интегральные микросхемы, полупроводниковые модули, микросборки и др., предъявляются строгие требования, которые в целом могут быть выражены через следующие показатели:

• конкурентоспособность с изделиями признанных мировых производителей;

• высокая производительность технологического оборудования на всех этапах технологического процесса;

• исключение человеческого фактора на производстве.

Конкурентоспособность изделий микроэлектронной промышленности определяется качеством их изготовления, долей годных изделий в выпускаемой партии (или процентом отбраковки) и их себестоимостью. Ведущие производители изделий промышленной электроники, такие как International Rectifier (IRF), Texas Instruments (TI) и многие другие играют основополагающую роль на мировых рынках электронной техники. Так по данным официального сайта [102] компании Texas Instruments принадлежит более 50 процентов мирового объема продаж цифровых сигнальных процессоров, а также на протяжении последних трех лет компания имеет самый высокий в мире объем продаж аналоговых схем. За июнь 2002 года выпуск только MOSFET-транзисторов компанией International Rectifier [101] составил около 1100 млн. штук на сумму свыше 400 млн. долларов.

Объем продаваемых на рынке изделий непосредственно определяется вторым показателем — производительностью технологического оборудования. Этот показатель обуславливает необходимость повышения быстродействия производственного оборудования.

Исключение человеческого фактора представляет собой максимально возможный переход от ручных операций к автоматизированным в процессе производства. Это позволяет повысить как производительность так и качество выпускаемых изделий. Кроме того, в ряде случаев присутствие человека в рабочей зоне просто недопустимо. Например, при производстве кристаллов интегральных микросхем, где размеры транзистора измеряются нанометрами, необходимо обеспечить жесткие требования к составу атмосферы в производственном помещении.

Перечисленные показатели, характеризующие общие требования к технологическим процессам, направлены на повышение производительности при одновременном улучшении качества продукции.

Однако стремление увеличить быстродействие технологического оборудования однозначно определяет использование малоинерционных электромеханических преобразователей с малыми постоянными времени и достаточно ярко выраженной колебательностью. В замкнутой системе автоматического управления (САУ) особенности таких преобразователей, как объектов управления, затрудняют обеспечение устойчивости функционирования САУ в основном режиме (с частотой квантования) во всем диапазоне изменения управляющих воздействий. Применение различного рода корректирующих устройств, которые увеличивают запас устойчивости САУ, неизбежно ведет к снижению быстродействия системы из-за появления дополнительных инерционностей в контуре регулирования.

Такого рода ситуацию следует рассматривать как противоречивую, выражающуюся в невозможности обеспечения высокой производительности оборудования при достаточном запасе устойчивости заданного режима функционирования. Особенно ярко эта противоречивая ситуация проявляется в электронной промышленности при производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, где, как уже отмечалось, требуется микрои нанометровый диапазон позиционирования.

Выход из сложившейся ситуации может быть найден с получением достоверной информации об эволюции динамических режимов и физически «прозрачным» пониманием процессов, которые протекают в замкнутых САУ.

Характер режимов функционирования замкнутых нелинейных систем, к которым относятся скоростные подсистемы (СП) постоянного тока с импульсным регулированием, может изменяться в широких пределах: от различных детерминированных режимов до широкомасштабного динамического хаоса [33, 53, 56, 64, 71, 73]. В то же время эффективность автоматизированного проектирования СП напрямую зависит от возможности используемых методов математического моделирования электромеханических процессов идентифицировать детерминированные режимы и определять границы областей существования (устойчивости) такого рода режимов. В соответствии с [17] области существования хаотичной динамики будем относить к аномальным режимам функционирования СП, но, как будет показано в главе 3, не всякий режим хаотизации удовлетворяет критерию катастрофического (аварийного).

Известно достаточно много работ, посвященных анализу субгармонических колебаний нелинейных САУ [3 -6, 13 -21, 30, 32 — 43, 49 — 51, 53, 56, 60 — 62, 64 — 67, 71 — 73, 92, 93, 95, 99]. В последние годы акцент в изучении динамического хаоса смещается из области физико-математических исследований в прикладные отрасли наук, о чем свидетельствует множество публикаций. В частности, исследованиям динамики электроэнергетических систем посвящена работа [30], ключевых полупроводниковых преобразователей электрической энергии — работы [5, 6, 14, 16 — 18, 20, 21, 33, 35, 36, 56, 59 — 64, 66, 67, 72, 73, ], электромеханических преобразователей -[13, 15, 34, 37, 49 — 51, 53, 71], причем в работах [13, 37, 49, 53, 71] обсуждаются вопросы хаотизации электромагнитных процессов тяговых электроприводов постоянного тока при допущении, что объект регулирования электродвигатель) замещается RL-нагрузкой и содержит независимую от времени ЭДС вращения.

Цель работы. Исследование динамических режимов функционирования прецизионной скоростной подсистемы постоянного тока с импульсным регулированием для получения базовых характеристик системы с малоинерционным и высокомоментным электродвигателями, а также создание методики проектирования скоростных подсистем импульсно-модуляционного типа.

Проводимые в работе исследования направлены в первую очередь на создание универсального подхода к синтезу скоростных подсистем с импульсным регулированием, базирующегося на методах нелинейной динамики, а также на развитие теории хаотизации нелинейных динамических систем.

Согласно вышеизложенному в диссертационной работе решаются следующие задачи.

• Разработка математической моделей системы «преобразователь-двигатель-механизм», учитывающих технологические особенности прецизионных импульсных СП постоянного тока, методов и алгоритмов их численного анализа.

• Получение базовых зависимостей, характеризующих динамику СП при влиянии механической части. Анализ возможных сценариев перехода от детерминированного режима к хаотичному. Анализ влияния коммутационных процессов щеточно-коллекторного узла на качественные показатели при смене периодических режимов.

• Определение и теоретическое обоснование возможных способов нормализации структуры СП, обеспечивающих технологически нормальные режимы функционирования прецизионной импульсной СП постоянного тока.

• Экспериментальные исследования динамических свойств скоростной подсистемы постоянного тока импульсно-модуляционного типа, оценка обоснованности упрощений в математическом описании объекта. Формирование принципов синтеза нелинейных систем с учетом позиций теории хаотизации.

Методы исследования базируются на аппарате теории дифференциальных уравнений, теории нелинейных колебаний и теории бифуркаций, аппарате матричной алгебры, методах вычислительной математики. Численная реализация математических моделей выполнялась на ЭВМ с помощью оригинального программного обеспечения. Экспериментальные исследования проводились на созданном стендовом оборудовании.

Научная новизна.

• Создана методика анализа динамических свойств электромеханических систем с широтно-импульсной модуляцией, по которой впервые получены базовые картины, отражающие поведение прецизионной скоростной подсистемы постоянного тока с импульсным регулированием в динамических режимах.

• Впервые изучено влияние коммутационных процессов в щеточно-коллекторном узле на эволюцию динамических режимов.

• Впервые проведена оценка динамических свойств импульсной электромеханической системы при варьировании параметров механической части схемы замещения.

• Разработана методика проектирования динамических систем импульсно-модуляционного типа с учетом склонности таких систем к хаотизации.

Указанные результаты выносятся на защиту.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанная методика анализа динамических свойств электромеханических систем импульсно-модуляционного типа, полученные при исследовании результаты и разработанный метод проектирования указанных систем позволяют:

— проводить параметрический анализ устройств с импульсной модуляцией, определять области существования и устойчивости периодических режимов нелинейной САУ технологическим процессом;

— использовать новый подход при проектировании практических систем автоматического управления в составе технологических комплексов с возможностью обнаружения аномальных режимов функционирования;

— существенно повысить надёжность функционирования САУ с OHM в составе систем автоматизации технологических процессов.

Результаты диссертационной работы, а также разработанное программное обеспечение были использованы:

— при проектировании установки для нанесения стекла на кремниевые пластины ROSA-1−125 (НПЦ «Схемотехника и интегральные технологии», г. Брянск);

— в учебном процессе при проведении лабораторных занятий и курсового проектирования по дисциплинам «Теория автоматического управления», «Методы анализа и расчёта электронных схем» и «Теория динамической хаотизации нелинейных импульсных систем» на кафедре «Автоматизированный электропривод» БГТУ.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах в Орловском государственном техническом университете, на региональной научно-практической конференции-ярмарке (г. Брянск, 1999 г.), на молодёжной научно-технической конференции вузов приграничных регионов славянских государств (г. Брянск, 2001 — 2002 гг.), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава БГТУ (1998 — 2002 гг.), и на научных семинарах кафедры «Автоматизированный электропривод» БГТУ в 1998;2002 гг.

По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ. I

II

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников, включающего 102 наименования, изложена на 214 страницах и поясняется 64 рисунками и 9 таблицами.

4.6. Основные результаты и выводы

1. Проверка достоверности полученных результатов проводилась на специально созданном для этой цели стенде и на скоростной подсистеме установки для нанесения стекла на кремниевые пластины ROSA-1−125.

2. Показано, что расхождение между теоретическими и экспериментальными данными по характеристикам анализируемых режимов не превышает 8% .

3. Разработана методика экспериментального определения параметров электродвигателя с помощью стенда для исследования хаотической динамики СП постоянного тока импульсно-модуляционного типа.

4. Проведена оценка влияния разброса параметров аналоговой модели двигателя на динамические свойства йп.

4.1.Отмечено сужение областей ш-циклов и рост вероятности перехода к хаотичной динамике при дрейфе параметров или действии помехи с увеличением коэффициента усиления регулятора скорости. 4.2.Увеличение индуктивности якоря и приведенного момента инерции вала двигателя при неизменности других параметров позволяет обеспечить требуемые запасы устойчивости проектного режима.

5. Создано оригинальное программное обеспечение автоматизированного анализа нелинейной СП с OHM, позволяющее определять пути нормализации структуры СП и формировать (Требования для проектирован* ii подобных систем автоматизации технологических процессов.

6. Разработана методика проектирования импульсно-модуляционных СП, которая позволит проектировать указанные системы на более качественном уровне.

7. Опытно-промышленная эксплуатация внедренной установки для нанесения стекла на кремниевые пластины ROSA-1−125 показала, что полученные результаты подтверждают правильность решения задачи анализа динамических режимов функционирования нелинейной САУ ТП для достижения требуемых свойств и уровня надёжности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа «Динамические режимы функционирования скоростных подсистем импульсно-модуляционного типа в составе систем управления технологическими процессами» выполнена в Брянском государственном техническом университете.

При проведении научных исследований, связанных с темой диссертационной работы, и решении поставленных в работе задач были достигнуты следующие результаты.

1. Сформулировано противоречие между производительностью технологического оборудования на базе скоростных подсистем и качеством воспроизведения движения в динамических режимах функционирования электроприводов.

2. Впервые разработана математическая модель нелинейной импульсной системы стабилизации угловой скорости и создана методика анализа динамических режимов скоростной подсистемы, в том числе с учетом коммутационных процессов щеточно-коллекторного узла.

3. Проанализированы бифуркационные диаграммы и соответствующие им мгновенные значения переменной состояния и коммутационной функции для СП, однозначно определены области устойчивого существования проектного режима и найдены бифуркационные значения коэффициента усиления — 31)23 для СП с малоинерционным двигателем и

Крс =32,77, для СП с высокомоментным двигателем, которые гр ограничивают область функционирования СП с OHM в проектном режиме вне зависимости от величины управляющего воздействия U3.

4. Получены спектральные характеристики различных ш-циклов. Установлена взаимосвязь между бифуркационными процессами и характером изменения спектров режимов функционирования СП.

5. Экспериментальная проверка достоверности полученных результатов проводилась на специально созданном для этой цели стенде и на скоростной подсистеме установки для нанесения стекла на кремниевые пластины

ROSA-1−125. Показано, что расхождение между теоретическими и f экспериментальными данными по характеристикам анализируемых режимов не превышает 8% .

6. Опытно-промышленная эксплуатация внедренной установки для нанесения стекла на кремниевые пластины ROSA-1−125 с 2001 г. показала, что полученные результаты подтверждают правильность решения задачи анализа динамических режимов функционирования нелинейной САУ ТП для достижения требуемых свойств и уровня надёжности.

Проведённые исследования и, полученные результаты, кроме прикладного f характера, имеют также самостоятельное значение с точки зрения теории бифуркаций и хаотизации нелинейных динамических систем.

Основные положения диссертации опубликованы в работах [3, 24, 32, 38−43].